UA127223C2 - THE METHOD OF CREATING A VACUUM ARC CATHODE PLASMA - Google Patents
THE METHOD OF CREATING A VACUUM ARC CATHODE PLASMA Download PDFInfo
- Publication number
- UA127223C2 UA127223C2 UAA202006200A UAA202006200A UA127223C2 UA 127223 C2 UA127223 C2 UA 127223C2 UA A202006200 A UAA202006200 A UA A202006200A UA A202006200 A UAA202006200 A UA A202006200A UA 127223 C2 UA127223 C2 UA 127223C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- cathode
- vacuum
- arc
- plasma
- magnetic field
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims description 3
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 abstract description 4
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 34
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/02—Arrangements for confining plasma by electric or magnetic fields; Arrangements for heating plasma
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/48—Generating plasma using an arc
- H05H1/50—Generating plasma using an arc and using applied magnetic fields, e.g. for focusing or rotating the arc
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Запропоновано спосіб створення вакуумно-дугової катодної плазми. Спосіб включає підпалювання вакуумно-дугового розряду між катодом і анодом за допомогою засобу, для підпалювання і формування плазмового потоку магнітним полем, за допомогою електромагнітних котушок, що охоплюють катод і анод. При цьому навколо бічної поверхні катода за допомогою вихрової камери поблизу його торця, що випаровується, створюють вихровий потік інертного газу, який виходить на цей торець і обертається в напрямку, протилежному напрямку циклотронного обертання електронів в магнітному полі. Винахід підвищує ефективність використання катодного матеріалу і зменшує його розбризкування.A method of creating a vacuum-arc cathode plasma is proposed. The method includes igniting a vacuum-arc discharge between the cathode and anode using a means for igniting and forming a plasma flow by a magnetic field, using electromagnetic coils covering the cathode and anode. At the same time, a vortex flow of inert gas is created around the side surface of the cathode with the help of a vortex chamber near its evaporating end, which exits this end and rotates in the direction opposite to the direction of cyclotron rotation of electrons in a magnetic field. The invention increases the efficiency of the use of the cathode material and reduces its spattering.
Description
Винахід належить до техніки створення вакуумно-дугової катодної плазми для нанесення на вироби різних покриттів вакуумно-дуговим методом з використанням як металевих, так і графітових катодів.The invention relates to the technique of creating a vacuum-arc cathode plasma for applying various coatings to products by the vacuum-arc method using both metal and graphite cathodes.
У багатьох відомих способах (див., наприклад, І1Ї) дугові плазмові потоки в вакуумі при використанні графітових і металевих катодів створюються при малих швидкостях переміщення катодної плями по випарюваній поверхні катода Це обумовлює ряд недоліків, в тому числі значну наявність крапельної фази в плазмових потоках через ерозію катода, що погіршує якість отримуваних покриттів. Усунення крапельної фази з плазми шляхом її фільтрації призводить до збільшення дифузійних втрат плазми.In many known methods (see, for example, I1Y), arc plasma flows in a vacuum when using graphite and metal cathodes are created at low speeds of movement of the cathode spot along the evaporating surface of the cathode. This causes a number of disadvantages, including the significant presence of a droplet phase in plasma flows due erosion of the cathode, which worsens the quality of the obtained coatings. Eliminating the droplet phase from the plasma by filtering it leads to an increase in diffusion losses of the plasma.
Відомий спосіб створення вакуумно-дугового катодного плазми |2), що включає підпалювання імпульсного вакуумно-дугового розряду між торцевою поверхнею циліндричного катода, що випаровується, і анодом у вигляді відрізка труби за допомогою засобу для підпалювання шляхом подачі на нього і на анод імпульсу високої напруги. Плазмовий потік формують в імпульсному магнітному полі за допомогою імпульсної електромагнітної котушки, що охоплює катод і анод, через яку пропускають імпульсний струм дуги.There is a known method of creating a vacuum-arc cathode plasma |2), which includes igniting a pulsed vacuum-arc discharge between the end surface of the evaporating cylindrical cathode and the anode in the form of a pipe segment using a means for ignition by applying a high-voltage pulse to it and to the anode . The plasma flow is formed in a pulsed magnetic field using a pulsed electromagnetic coil covering the cathode and anode, through which pulsed arc current is passed.
Під дією імпульсу високої напруги, прикладеного між катодом і анодом, за допомогою засобу для підпалювання вакуумної дуги створюють початкову плазму з утворенням катодної плями (КП) дуги на торці катода, що випаровується, поблизу його осі. При наростанні імпульсного струму дуги в наростаючому поздовжньому магнітному полі, що створюється електромагнітною котушкою, яка охоплює катод і анод, через яку пропускається імпульсний струм дуги, КП ділиться (фрагментується) з утворенням декількох КП, які відштовхуються одна від одної. Зі збільшенням струму дуги збільшується напруженість тангенціальною складової магнітного поля, яка охоплює КП на торцевій поверхні катода, що фрагментуються. Відповідно до закону ретроградного руху КП дуги, їх рух направлено у бік максимуму тангенціальної складової магнітного поля на торцевій поверхні катода, яка охоплює ці КП, швидкість руху яких буде пропорційна напруженості цього магнітного поля |З|.Under the action of a high-voltage pulse applied between the cathode and the anode, with the help of a means for igniting the vacuum arc, an initial plasma is created with the formation of a cathode spot (CP) of the arc at the end of the evaporating cathode, near its axis. When the pulsed arc current increases in the increasing longitudinal magnetic field created by the electromagnetic coil that covers the cathode and anode, through which the pulsed arc current is passed, the KP is divided (fragments) with the formation of several KPs that repel each other. As the arc current increases, the intensity of the tangential component of the magnetic field, which covers the KP on the end surface of the fragmenting cathode, increases. In accordance with the law of retrograde movement of arc CPs, their movement is directed toward the maximum of the tangential component of the magnetic field on the end surface of the cathode, which covers these CPs, the speed of which will be proportional to the intensity of this magnetic field |З|.
Однак цей спосіб має суттєві недоліки. Створення вакуумно-дугової катодної плазми цим способом при імпульсних токах менше 1 кА не є ефективним. Зі збільшенням відстані від центру торцевої поверхні катода, що випаровується, зменшується швидкість переміщення КП, так якHowever, this method has significant drawbacks. The creation of a vacuum-arc cathode plasma by this method at pulse currents of less than 1 kA is not effective. As the distance from the center of the end surface of the evaporating cathode increases, the speed of CP movement decreases, since
Зо напруженість тангенціальною складової магнітного поля на торцевій поверхні катода, що охоплює ці КП, зменшується зі збільшенням їх відстаней від осі катода. При тривалій роботі катода його торцева поверхня, що випаровується, набуває рельєф у вигляді глибоких, спрямованих уздовж радіуса катода ерозійних треків (4). Це призводить до зміни напрямків емітованих катодними плямами плазмових струменів в магнітному полі, що погіршує процес транспортування плазмових потоків. Слід зазначити також малу площу рівномірного нанесення покриттів, яка сильно залежить від діаметра катода, розміри якого обмежені потужністю імпульсного джерела живлення дуги. Крім того, дорожнеча високовольтних імпульсних джерел живлення дуги на струми в декілька КА і низька продуктивність нанесення покриттів цим способом обмежують його застосування в промисловому виробництві.Therefore, the intensity of the tangential component of the magnetic field on the end surface of the cathode, covering these KPs, decreases as their distance from the cathode axis increases. During long-term operation of the cathode, its end surface, which evaporates, acquires a relief in the form of deep erosion tracks directed along the radius of the cathode (4). This leads to a change in the directions of plasma jets emitted by cathode spots in the magnetic field, which worsens the process of transporting plasma flows. It should also be noted the small area of uniform application of coatings, which strongly depends on the diameter of the cathode, the dimensions of which are limited by the power of the pulse power source of the arc. In addition, the high cost of high-voltage pulsed arc power sources for currents of several KA and the low productivity of coating by this method limit its use in industrial production.
За найближчий аналог прийнято спосіб І5| створення вакуумно-дугової катодної плазми, що включає підпалювання вакуумно-дугового розряду між торцевою поверхнею циліндричного катода і анодом у вигляді відрізка труби. Транспортування плазми здійснюють в постійному магнітному полі, створюваному електромагнітними котушками, які охоплюють катод і анод, посиленому за допомогою феромагнітних елементів, розташованих з тильного боку катода. У цьому способі створюються потоки вакуумно-дугової катодної плазми, які розповсюджуються уздовж магнітного поля у вигляді високо іонізованих плазмових струменів. Ці струмені формуються магнітним полем з катодної плазми, що виходить з КП вакуумної дуги. Ця плазма утримується всередині струменя поперечним тиском з боку зовнішнього магнітного поля (б).The closest analogue is the I5| method creation of a vacuum-arc cathode plasma, which includes igniting a vacuum-arc discharge between the end surface of the cylindrical cathode and the anode in the form of a pipe segment. Plasma transport is carried out in a permanent magnetic field created by electromagnetic coils covering the cathode and anode, reinforced by ferromagnetic elements located on the back side of the cathode. In this method, streams of vacuum-arc cathode plasma are created, which spread along the magnetic field in the form of highly ionized plasma jets. These jets are formed by the magnetic field from the cathode plasma coming out of the KP of the vacuum arc. This plasma is held inside the jet by transverse pressure from the external magnetic field (b).
Однак цей спосіб не забезпечує необхідних умов для збільшення швидкості переміщення КП дуги по випарюваній поверхні катода. Збільшення струму дуги при постійній напруженості транспортуючого магнітного поля поблизу торця катоду, призводить до збільшення крапельної фази в продуктах ерозії катода. Очищення плазмових потоків від крапельної фази збільшує їх дифузійні втрати. Це є основною перешкодою для збільшення продуктивності при нанесенні різних захисних покриттів вакуумно-дуговим методом.However, this method does not provide the necessary conditions for increasing the speed of movement of the CP of the arc along the evaporating surface of the cathode. An increase in the arc current at a constant intensity of the transporting magnetic field near the end of the cathode leads to an increase in the droplet phase in the cathode erosion products. Purification of plasma flows from the droplet phase increases their diffusion losses. This is the main obstacle to increasing productivity when applying various protective coatings by the vacuum-arc method.
Задачею, на вирішення якої спрямовано пропонуємий винахід, є удосконалення способу створення вакуумно-дугової катодної плазми, в якому забезпечується підвищення швидкості переміщення КП дуги по торцевій поверхні катода, що випаровується, при безперервному струмі дуги. Це підвищить ефективність використання катодного матеріалу і зменшить його розбризкування. Поставлена задача повинна вирішуватися шляхом створення умов для бо збільшення швидкості переміщення КП дуги по поверхні катода, що випаровується, в сторону протилежну градієнтному і віддцдентровому дрейфу електронів в магнітному полі, що розходиться. При цьому необхідно збільшити напруженість цього магнітного поля при зменшенні падіння напруги на дуговому розряді.The problem that the proposed invention is aimed at solving is the improvement of the method of creating a vacuum-arc cathode plasma, which ensures an increase in the speed of movement of the KP of the arc along the end surface of the evaporating cathode, with a continuous arc current. This will increase the efficiency of the use of the cathode material and reduce its spattering. The task should be solved by creating conditions for increasing the speed of movement of the KP arc along the surface of the evaporating cathode, in the direction opposite to the gradient and centripetal drift of electrons in a diverging magnetic field. At the same time, it is necessary to increase the intensity of this magnetic field while reducing the voltage drop on the arc discharge.
Поставлена задача вирішується в способі створення вакуумно-дугового катодного плазми, що патентується, який також, як і найближчий аналог, включає підпалювання вакуумно-дугового розряду між катодом і анодом за допомогою засобу для підпалювання і формування плазмового потоку магнітним полем, створюваним електромагнітними котушками, які охоплюють катод і анод. відрізняється пропонуємий спосіб від найближчого аналога тим, що навколо бічної поверхні катода поблизу його торця, що випаровується, створюють вихровий потік інертного газу, що обертається в напрямку протилежному напрямку циклотронного обертання електронів в магнітному полі. Цей потік інертного газу виводиться на торець катода, що випаровується.The task is solved in the method of creating a vacuum-arc cathode plasma, which is patented, which also, like the closest analogue, includes igniting a vacuum-arc discharge between the cathode and the anode using a means for igniting and forming a plasma flow by a magnetic field created by electromagnetic coils, which cover the cathode and anode. the proposed method differs from the closest analogue in that a vortex flow of inert gas is created around the side surface of the cathode near its evaporating end, rotating in the direction opposite to the direction of cyclotron rotation of electrons in a magnetic field. This flow of inert gas is discharged to the end of the evaporating cathode.
При першому створенні вакуумно-дугової катодної плазми спостерігають за напрямком переміщення катодних плям навколо осі катода і створюють динамічний тиск вихрового потоку інертного газу поблизу цього торця катода не менше величини, при якій катодні плями починають прискорено переміщуватись в напрямку протилежному напрямку вихрового потоку.When the vacuum-arc cathode plasma is first created, the direction of movement of the cathode spots around the axis of the cathode is observed and the dynamic pressure of the vortex flow of inert gas near this end of the cathode is not less than the value at which the cathode spots begin to move rapidly in the direction opposite to the direction of the vortex flow.
Після цього цей динамічний тиск встановлюють при кожному запуску вакуумно-дугової катодної плазмиAfter that, this dynamic pressure is set at each start of the vacuum-arc cathode plasma
Вихровий потік інертного газу, обмежують від розходження в радіальному напрямку поблизу торця катода, що випаровується, за допомогою електропровідного порожнистого циліндра з немагнітного матеріалу, що охоплює область поблизу торця катода, що випаровується. Цей циліндр приєднано до анода із забезпеченням електричного і теплового контакту з ним.The vortex flow of inert gas is restricted from diverging in the radial direction near the end of the evaporating cathode by means of an electrically conductive hollow cylinder of non-magnetic material covering the region near the end of the evaporating cathode. This cylinder is connected to the anode, providing electrical and thermal contact with it.
Напруженість розбіжного магнітного поля на торцевій поверхні катода, що випаровується, і поблизу неї підсилюють за допомогою постійного магніту, встановленого з тильного боку катода, і додаткової електромагнітної котушки, що охоплює вищезгаданий порожнистий циліндр.The voltage of the divergent magnetic field on and near the end surface of the evaporating cathode is amplified by a permanent magnet mounted on the back side of the cathode and an additional electromagnetic coil covering the aforementioned hollow cylinder.
Створення та посилення вищезгаданого магнітного поля здійснюють при пропусканні струму вакуумно-дугового розряду послідовно через всі згадані вище електромагнітні котушки.The creation and strengthening of the above-mentioned magnetic field is carried out by passing the current of the vacuum-arc discharge sequentially through all the above-mentioned electromagnetic coils.
Завдяки відмітним особливостям способу, що патентується, зростає швидкість переміщенняThanks to the distinctive features of the patented method, the speed of movement increases
КП дуги навколо осі катода по всій його торцевій поверхні, що випаровується. Це призводить доKP arc around the axis of the cathode along its entire end surface, which evaporates. This leads to
Зо однорідної її ерозії, підвищення ефективності використання катодного матеріалу і зменшення його розбризкування. Це надійно підтверджують експериментальні випробування.Due to its uniform erosion, increasing the efficiency of the use of the cathode material and reducing its spattering. This is reliably confirmed by experimental tests.
Пояснити це можна наступним. Створення вакуумно-дугового розряду супроводжується зменшенням на ньому падіння напруги в поперечному до магнітного поля напрямку за рахунок дрейфу електронів усередині плазмового струменя в бік анода під дією динамічного тиску на них вихрового потоку інертного газу. Збільшення напруженості магнітного поля на торці катода, що випаровується, і поблизу нього збільшує щільність електронів усередині плазмового струменя. При цьому збільшується частота періодичної зміни напруженості складової електричного поля поляризації плазмового струменя щодо його нульового значення уздовж радіуса катода. Це сприяє збільшенню середньої швидкості переміщення КП дуги навколо осі катода по всій його поверхні, що випаровується, та зменшенню втрат вакуумно-дугової катодної плазми упоперек магнітного поля.This can be explained as follows. The creation of a vacuum-arc discharge is accompanied by a decrease in the voltage drop on it in the direction transverse to the magnetic field due to the drift of electrons inside the plasma jet towards the anode under the action of the dynamic pressure on them of the vortex flow of inert gas. An increase in the intensity of the magnetic field at the end of the evaporating cathode and near it increases the density of electrons inside the plasma jet. At the same time, the frequency of periodic changes in the intensity of the component of the electric field of the polarization of the plasma jet relative to its zero value along the radius of the cathode increases. This contributes to an increase in the average speed of movement of the KP arc around the axis of the cathode over its entire evaporated surface and to a decrease in the losses of the vacuum-arc cathode plasma across the magnetic field.
Суть винаходу пояснюється графічним матеріалом. На фігурі показана схема поздовжнього перерізу пристрою для реалізації способу.The essence of the invention is explained by graphic material. The figure shows a diagram of the longitudinal section of the device for implementing the method.
Розглянемо приклад реалізації способу, що патентується.Consider an example of the implementation of the patentable method.
Після відкачки на високий вакуум до тиску, що не перевищує 1,3-103 Па вакуумної камери (на фігурі на показана), до якої приєднується пристрій для реалізації способу, підпалюють вакуумно-дугового розряд між торцевою поверхнею 1, що випаровується, (див. схему на фігурі) циліндричного катода 2, і анодом З за допомогою засобу 4, для підпалювання при подачі на нього високовольтного імпульсу негативної полярності щодо допоміжного анода 5 від джерела імпульсів (на схемі не показаний). Засіб для підпалювання може бути виконаний, наприклад, як описано в (1, стор. 49).After pumping to a high vacuum to a pressure not exceeding 1.3-103 Pa of the vacuum chamber (shown in the figure), to which the device for implementing the method is connected, a vacuum-arc discharge is ignited between the end surface 1, which evaporates, (see diagram in the figure) of the cylindrical cathode 2, and the anode C with the help of means 4, for ignition when a high-voltage pulse of negative polarity is applied to it with respect to the auxiliary anode 5 from the pulse source (not shown in the diagram). The ignition device can be made, for example, as described in (1, page 49).
Катод 2 знаходиться всередині корпусу б у вигляді відрізка труби, який охоплений електромагнітною котушкою 7. Для формування плазмового потоку використовують електромагнітну котушку 7 і електромагнітну котушку 8, яка охоплює анод 3.Cathode 2 is inside the housing b in the form of a pipe segment, which is covered by an electromagnetic coil 7. To form a plasma flow, an electromagnetic coil 7 and an electromagnetic coil 8, which covers the anode 3, are used.
Навколо бічній поверхні катода 2, за допомогою вихровий камери 9, що охоплює катод поблизу його торця 1, з виходом на нього створюють вихровий потік інертного газу - аргону, що обертається в напрямку протилежному напрямку циклотронного обертання електронів в магнітному полі, створюваному за допомогою електромагнітних котушок 7 і 8.Around the side surface of the cathode 2, with the help of a vortex chamber 9, which covers the cathode near its end 1, a vortex flow of inert gas - argon is created at the outlet, rotating in the direction opposite to the direction of the cyclotron rotation of electrons in the magnetic field created with the help of electromagnetic coils 7 and 8.
Вихрова камера 9 являє собою короткий порожнистий циліндр, охоплений зовні кільцем з бо отворами, канали яких розташовані уздовж ліній, дотичних до внутрішньої поверхні кільця,The vortex chamber 9 is a short hollow cylinder, surrounded on the outside by a ring with holes, the channels of which are located along lines tangent to the inner surface of the ring,
внутрішній діаметр якого не менше, ніж подвійний діаметр катода. Цей циліндр закрито з обох торців близько розташованими кільцевими дисками, які охоплюють катод. При цьому канали отворів кільця, що охоплює вихрову камеру, мають довжину набагато більшу, ніж поперечні розміри цих отворів.the inner diameter of which is not less than twice the diameter of the cathode. This cylinder is closed at both ends by closely spaced annular disks that enclose the cathode. At the same time, the channels of the holes of the ring covering the vortex chamber have a length much greater than the transverse dimensions of these holes.
Вихровий потік аргону, обмежують від розбіжності в радіальному напрямку поблизу торця 1 катода 2 за допомогою приєднаного до анода 3 при забезпеченні електричного і теплового контакту з ним електропровідного порожнистого циліндра 10 з немагнітного матеріалу. Цей циліндр охоплює область поблизу торця 1 катода 2. Внутрішній діаметр цього циліндра не перевищує внутрішній діаметр вихрової камери.The vortex flow of argon is limited from divergence in the radial direction near the end face 1 of the cathode 2 by means of an electrically conductive hollow cylinder 10 of non-magnetic material attached to the anode 3 while providing electrical and thermal contact with it. This cylinder covers the area near the end 1 of the cathode 2. The inner diameter of this cylinder does not exceed the inner diameter of the vortex chamber.
Напруженість розбіжного магнітного поля на поверхні торця катода, що випаровується, і поблизу неї додатково підсилюють за допомогою циліндричної феромагнітною втулки 11 з постійним магнітом 12, встановленими з тильного боку катода 2, за допомогою електромагнітної котушки 7, яку охоплено циліндричним феромагнітним екраном 13 із закритим торцем 14, а також за допомогою додаткової електромагнітної котушки 15, що охоплює вищезгаданий порожнистий циліндр 10.The tension of the diverging magnetic field on the surface of the end of the evaporating cathode and near it is additionally strengthened by means of a cylindrical ferromagnetic sleeve 11 with a permanent magnet 12 installed on the back side of the cathode 2, by means of an electromagnetic coil 7, which is covered by a cylindrical ferromagnetic screen 13 with a closed end 14, as well as by means of an additional electromagnetic coil 15, covering the aforementioned hollow cylinder 10.
При першому створенні вакуумно-дугової катодної плазми спостерігають за напрямком переміщення катодних плям навколо осі катода 2 і створюють динамічний тиск аргону поблизу його торця 1 не менше величини, при якій катодні плями починають прискорено переміщуватися в напрямку протилежному напрямку розповсюдження вихрового потоку. Після цього цей динамічний тиск встановлюють перед кожним створенням вакуумно-дугової катодної плазми. Цей динамічний тиск створюють, певною швидкістю напуска інертного газу у вихрову камеру через регульований вентиль (на схемі не показаний).During the first creation of the vacuum-arc cathode plasma, the direction of movement of the cathode spots around the axis of the cathode 2 is observed and a dynamic pressure of argon near its end 1 is created at least the value at which the cathode spots begin to move rapidly in the direction opposite to the direction of the eddy current propagation. After that, this dynamic pressure is set before each creation of the vacuum-arc cathode plasma. This dynamic pressure is created by inert gas entering the vortex chamber at a certain rate through an adjustable valve (not shown in the diagram).
Створення та посилення вищезгаданого магнітного поля здійснюють при пропусканні струму вакуумно-дугового розряду послідовно через всі згадані вище електромагнітні котушки 7, 8, 15.The creation and strengthening of the above-mentioned magnetic field is carried out by passing the vacuum-arc discharge current sequentially through all the above-mentioned electromagnetic coils 7, 8, 15.
Завдяки прискореному переміщенню КП дуги на поверхні торця катода, що випаровується, при збільшенні напруженості магнітного поля на ньому і поблизу нього збільшується щільність електронів усередині плазмового струменя. Завдяки цьому збільшується напруженість електричного поля його поляризації. При цьому змінюється складова його поляризації уздовж радіуса катода. В результаті підвищується швидкість переміщення КП дуги по всій поверхніDue to the accelerated movement of the KP of the arc on the surface of the end face of the evaporating cathode, with an increase in the intensity of the magnetic field on it and near it, the density of electrons inside the plasma jet increases. Thanks to this, the intensity of the electric field of its polarization increases. At the same time, the component of its polarization changes along the radius of the cathode. As a result, the speed of movement of the KP arc over the entire surface increases
Зо катода, що випаровується. Це забезпечує рівномірну ерозію по всій його торцевої поверхні, що випаровується, а також підвищує ефективність використання катодного матеріалу завдяки суттєвому зменшенню його розбризкування з КП.From the evaporating cathode. This ensures uniform erosion over its entire evaporating end surface, and also increases the efficiency of the use of the cathode material due to a significant reduction in its spattering from the KP.
Випробування способу створення вакуумно-дугової катодної плазми проводилося з вакуумно-дуговим випарником з графітовим катодом 2, діаметр якого становив 60 мм, початкова довжина - 65 мм. Внутрішній діаметр корпусу З дорівнював 160 мм, його довжина - 160 мм, довжина феромагнітної втулки 11 дорівнювала 55 мм, її зовнішній діаметр - 60 мм, внутрішній діаметр - 30 мм. Зовнішній діаметр постійного магніту 12 дорівнював 60 мм, внутрішній діаметр - 30 мм, висота - 10 мм.Testing of the method of creating a vacuum-arc cathode plasma was carried out with a vacuum-arc evaporator with a graphite cathode 2, the diameter of which was 60 mm, the initial length was 65 mm. The inner diameter of the housing C was 160 mm, its length was 160 mm, the length of the ferromagnetic sleeve 11 was 55 mm, its outer diameter was 60 mm, and its inner diameter was 30 mm. The outer diameter of the permanent magnet 12 was 60 mm, the inner diameter was 30 mm, and the height was 10 mm.
При відсутності вихрової закрутки аргону навколо бічної поверхні графітового катода середній час одного обходу КП дуги навколо осі катода при струмі дуги 100 А становив, приблизно, 30 хвилин. При напуску аргону через вихрову камеру, середній час одного обходуIn the absence of vortex swirling of argon around the side surface of the graphite cathode, the average time of one bypass of the KP arc around the cathode axis at an arc current of 100 A was approximately 30 minutes. When argon is injected through the vortex chamber, the average time of one round
КП навколо осі катода зменшився до двох хвилин, тобто, в 15 разів. Швидкість витрати графітового катода при цьому зменшилася, приблизно, в 2 рази і склало величину 1,0 мм на годину. Виміри проводилися при тиску аргону в вакуумній камері Р - (0,8--1,2):102 Па при максимальній швидкості відкачки, яка становила 2000 л /сек. При цьому кількість ампер-витків в котушці 7 становило 7000. Експерименти проводилися без використання котушки 15 і порожнистого циліндра 10. При їх використанні позитивні результати будуть значно вищими.KP around the axis of the cathode decreased to two minutes, that is, 15 times. At the same time, the consumption rate of the graphite cathode decreased by approximately 2 times and amounted to 1.0 mm per hour. The measurements were carried out at the argon pressure in the vacuum chamber P - (0.8--1.2):102 Pa at the maximum pumping speed, which was 2000 l/sec. At the same time, the number of ampere-turns in coil 7 was 7000. The experiments were carried out without using coil 15 and hollow cylinder 10. If they are used, the positive results will be much higher.
Спосіб, що патентується, випробовувався з анодом 3, внутрішній діаметр якого дорівнював 210 мм, довжина - 270 мм. Кількість ампер-витків в анодній котушці 8 становила 2500. Анод приєднувався до вакуумної камери (на схемі не показана). Перед проведенням випробувань камера відкачувалась на високий вакуум до тиску не більше 1,3-103 Па. Швидкість відкачування вакуумної камери на високий вакуум при цьому становила, приблизно, 2000 л /сек.The patented method was tested with anode 3, the inner diameter of which was equal to 210 mm, length - 270 mm. The number of ampere-turns in the anode coil 8 was 2500. The anode was connected to a vacuum chamber (not shown in the diagram). Before the tests, the chamber was evacuated to a high vacuum to a pressure of no more than 1.3-103 Pa. The pumping speed of the vacuum chamber to high vacuum was approximately 2000 l/sec.
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. И. И. Аксенов, А.А. Андреєв, В.А. Белоус, В.Е. Стрельницкий, В.М. Хороших, Вакуумная дуга. МИсточники плазмь». Осаждение покрьтий, поверхностноеє модифицированиє, под редакцией И.И. Аксенова, Киев, Наукова Думка, 2012, 727 с. 2. Зіетгоїй Р.,ЗспціКег Т., апа М/їке Т., Нідн-сштепі аго-а пем/ зошгсе ог підп-гаїє дерозйоп, зи. Соаї.Тесппої!. 68, 314-319, (1994). 3. И.Г. Кесаев. Катоднье процессьі злектрической дуги. Издательство "Наука", Москва, бо 1968, 244 с.SOURCES OF INFORMATION: 1. I. I. Aksenov, A.A. Andreev, V.A. Belous, V.E. Strelnytskyi, V.M. Good luck, Vacuum arc. Placers of plasmas". Covered deposition, surface modification, edited by I.I. Aksenova, Kyiv, Naukova Dumka, 2012, 727 p. 2. Zietgoii R., ZsptsiKeg T., apa M/ike T., Nidn-sshtepi ago-a pem/ zoshgse og podp-gaiye derozyop, zi. Soai.Tesppoi!. 68, 314-319, (1994). 3. I.G. Kesaev. Cathodic process of the electric arc. Nauka Publishing House, Moscow, 1968, 244 p.
4. Оаіе5 Т М/.Н., Рідон у., МеКепгіє О.А. апа Вік М.М.М., А підй ситепі риївед саїйоаіс масццит агс ріазєта 5оийцгсе, Нем.4. Oaie5 T M/.N., Ridon U., MeKepgie O.A. apa Vik M.M.M., A pody sitepi ryived saiyoais masscit ags riazyeta 5oiytsgse, German.
Зсі.All together.
Іпвігит. 74, 4750-4754 (2003).Ipvigite 74, 4750-4754 (2003).
5. Патент України Ме101678 (найближчий аналог).5. Patent of Ukraine Me101678 (closest analogue).
б.b.
Д.А.D.A.
Франк-Каменецкий.Frank-Kamenetsky.
Лекции по физике плазмь!. М.Lectures on plasma physics! M.
Атомиздат, 1968, 286 стр.Atomizdat, 1968, 286 pages.
Claims (5)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA202006200A UA127223C2 (en) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | THE METHOD OF CREATING A VACUUM ARC CATHODE PLASMA |
| PCT/UA2020/000096 WO2022066135A1 (en) | 2020-09-25 | 2020-11-02 | Method for producing cathodic vacuum arc plasma |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA202006200A UA127223C2 (en) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | THE METHOD OF CREATING A VACUUM ARC CATHODE PLASMA |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA127223C2 true UA127223C2 (en) | 2023-06-14 |
Family
ID=80845704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAA202006200A UA127223C2 (en) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | THE METHOD OF CREATING A VACUUM ARC CATHODE PLASMA |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA127223C2 (en) |
| WO (1) | WO2022066135A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114990498B (en) * | 2022-05-30 | 2024-02-02 | 安徽工业大学 | Multistage trigger pulse arc source device |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1040631A1 (en) * | 1980-06-25 | 1983-09-07 | Предприятие П/Я В-8851 | Vacuum arc apparatus |
| JPS6050167A (en) * | 1983-08-26 | 1985-03-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Plasma sticking device |
| US4931158A (en) * | 1988-03-22 | 1990-06-05 | The Regents Of The Univ. Of Calif. | Deposition of films onto large area substrates using modified reactive magnetron sputtering |
| JPH03122996A (en) * | 1989-10-04 | 1991-05-24 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Plasma device |
| RU2208871C1 (en) * | 2002-03-26 | 2003-07-20 | Минаков Валерий Иванович | Plasma electron source |
| RU87065U1 (en) * | 2009-04-29 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS |
| UA101678C2 (en) * | 2011-04-08 | 2013-04-25 | Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" | Vacuum arc evaporator FOR GENERATING cathode plasma |
| RU165688U1 (en) * | 2016-05-31 | 2016-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | GAS DISCHARGE PLASMA GENERATOR WITH LOW PRESSURE OF IGNITION DISCHARGE |
-
2020
- 2020-09-25 UA UAA202006200A patent/UA127223C2/en unknown
- 2020-11-02 WO PCT/UA2020/000096 patent/WO2022066135A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022066135A1 (en) | 2022-03-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2639330B1 (en) | Method and device for transporting vacuum arc plasma | |
| US4452686A (en) | Arc plasma generator and a plasma arc apparatus for treating the surfaces of work-pieces, incorporating the same arc plasma generator | |
| US4401539A (en) | Sputtering cathode structure for sputtering apparatuses, method of controlling magnetic flux generated by said sputtering cathode structure, and method of forming films by use of said sputtering cathode structure | |
| US6214183B1 (en) | Combined ion-source and target-sputtering magnetron and a method for sputtering conductive and nonconductive materials | |
| US6103074A (en) | Cathode arc vapor deposition method and apparatus | |
| RU2536126C2 (en) | Vacuum-arc evaporator for generation of cathode plasma | |
| US6246059B1 (en) | Ion-beam source with virtual anode | |
| KR100656734B1 (en) | Cathodic Sputtering Apparatus | |
| US20070034501A1 (en) | Cathode-arc source of metal/carbon plasma with filtration | |
| Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
| UA127223C2 (en) | THE METHOD OF CREATING A VACUUM ARC CATHODE PLASMA | |
| Denisov et al. | Ion current density distribution in a pulsed non-self-sustained glow discharge with a large hollow cathode | |
| GB622148A (en) | Improvements in and relating to means for imparting high energy to charged particles | |
| RU2482217C1 (en) | Vacuum arc plasma source | |
| Ryabchikov et al. | Sources and methods of repetitively pulsed ion/plasma material treatment | |
| RU2173911C2 (en) | Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure | |
| RU2098512C1 (en) | Vacuum-arc plasma source | |
| RU2607398C2 (en) | Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation | |
| RU2792344C1 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
| Muzyukin et al. | Ion Flow Parameters of a High-Current Pulsed Vacuum Arc | |
| Falabella et al. | Continuous cathodic arc sources | |
| RU2792344C9 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
| RU2507305C2 (en) | Method of transportation with filtration from macroparticles of vacuum arc cathode plasma, and device for its implementation | |
| RU2207399C2 (en) | Vacuum electric arc device | |
| RU2180472C2 (en) | Vacuum-arc plasma source |